JVM：字节码文件，类的生命周期，类加载器

_Matthew2023-11-20 6:07

JVM：字节码文件，类的生命周期，类加载器

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  • [1. 初识JVM](#1. 初识JVM)
    • [1.1. 什么是JVM](#1.1. 什么是JVM)
    • [1.2. JVM的功能](#1.2. JVM的功能)
    • [1.3. 常见的JVM](#1.3. 常见的JVM)
  • [2. 字节码文件详解](#2. 字节码文件详解)
    • [2.1. Java虚拟机的组成](#2.1. Java虚拟机的组成)
    • [2.2. 字节码文件的组成](#2.2. 字节码文件的组成)
      • [2.2.1. 以正确的姿势打开文件](#2.2.1. 以正确的姿势打开文件)
      • [2.2.2. 字节码文件的组成](#2.2.2. 字节码文件的组成)
        • [2.2.2.1 基本信息](#2.2.2.1 基本信息)
        • [2.2.2.2 常量池](#2.2.2.2 常量池)
      • [2.2.3. 玩转字节码常用工具](#2.2.3. 玩转字节码常用工具)
    • [2.3. 类的生命周期](#2.3. 类的生命周期)
    • [2.4. 类加载器](#2.4. 类加载器)
      • [2.4.1. 类加载器的分类](#2.4.1. 类加载器的分类)
      • [2.4.2. 双亲委派机制](#2.4.2. 双亲委派机制)
      • [2.4.3. 打破双亲委派机制](#2.4.3. 打破双亲委派机制)
        • [2.4.3.1. 自定义类加载器](#2.4.3.1. 自定义类加载器)
        • [2.4.3.2. 线程上下文类加载器](#2.4.3.2. 线程上下文类加载器)
        • [2.4.3.3. Osgi框架的类加载器（了解即可）](#2.4.3.3. Osgi框架的类加载器（了解即可）)
      • [2.4.4. jDK9之后的类加载器](#2.4.4. jDK9之后的类加载器)

JAVA虚拟机属于java的核心特性。

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课程安排

1. 初识JVM

1.1. 什么是JVM

JVM全称是Java Virtual Machine,中文译名Java虚拟机。

1.2. JVM的功能


虽然需要解释，不如C与C++。但是JAVA支持 跨平台 ！

由于JVM需要实时解释虚拟机指令，不做任何优化性能不如直接运行机器码的C、C++等语言。

即时编译


1.3. 常见的JVM

名称 作者 支持版本 社区活跃度(github star) 特性 适用场景
HotSpot(Oracle JDK版) Oracle 所有版本 高(闭源) 使用最广泛，稳定可靠，社区活跃 JIT支持 Oracle JDK默认虚拟机 默认
HotSpot(Open jDK版) Oracle 所有版本 中(16.1k) 同上 开源，Open jDK默认虚拟机 默认 对JDK有二次开发需求
GraalVM Oracle 11, 17,19企业版支持8 高(18.7k) 多语言支持高性能、JIT、 AOT支持 微服务、云原生架构 需要多语言混合编程
Dragonwell jDK 龙井 Alibaba 标准版8,11,17 扩展版11,17 低(3.9k) 基于OpenjDK的增强 高性能、bug修复、安全性提升 JWarmup、ElasticHeap、 Wisp特性支持 电商、物流、金融领域对性能要求比较高
Eclipse OpenJ9(原IBM J9) IBM 8,11,17,19,20 低(3.1k) 高性能、可扩展JIT、AOT特性支持 微服务、云原生架构
  • 《Java虚 拟机规范》由Oracle制定，内容主要包含了Java虚拟机在设计和实现时需要遵守的规范，主要包含class字节码文件的定义、类和接口的加载和初始化、指令集等内容。
  • 《Java虚拟机规范 》是对虚拟机设计的要求，而不是对Java设计的要求，也就是说虚拟机可以运行在其他的语言比如Groovy、Scala生成的class字节码文件之上。
shell 复制代码 
C:\Users\HP>java -version
java version "19.0.2" 2023-01-17
Java(TM) SE Runtime Environment (build 19.0.2+7-44)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 19.0.2+7-44, mixed mode, sharing)

对于HotSpot(Oracle JDK版) 最常用，以它为主要内容讲解！！

2. 字节码文件详解

2.1. Java虚拟机的组成

我现在编译了一个字节码文件

2.2. 字节码文件的组成

java虚拟机已经把字节码 加载与执行都处理完了，那还学什么！




2.2.1. 以正确的姿势打开文件

字节码文件中保存了源代码编译之后的内容，以二进制的方式存储，无法直接用记事本打开阅读。







2.2.2. 字节码文件的组成

2.2.2.1 基本信息


●文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的,文件扩展名可以随意修改，不影响文件的内容。

●软件使用文件的头几个字节(文件头)去校验文件的类型，如果软件不支持该种类型就会出错。

文件类型 字节数 文件头
JPEG (ipg) 3 FFD8FF
PNG (png) 4 89504E47 (文件尾也有要求)
bmp 2 424D
XML (xml) 5 3C3F786D6C
AVI (avi) 4 41 564920
Java字节码文件(.class) 4 CAFEBABE

●版本号的作用主要是判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容。

比如：


两种方案:

  1. 升级JDK版本**(容易引发其他的兼容性问题，并且需要大量的测试)**
  2. 将第三方依赖的版本号降低或者更换依赖，以满足JDK版本的要求 建议采用
名称 作用
Magic魔数 固定为0xCAFEBABE,不会改变
主版本号、副版本号 编译字节码文件的JDK版本
访问标识 标识是类还是接口、注解、枚举、模块标识public final abstract
类、父类、接口索引 通过这些索引可以找到类、父类、接口的信息
2.2.2.2 常量池

保存了字符串常量、类或接口名、字段名主要在字节码指令中使用

字节码文件中常量池的作用：避免相同的内容重复定义，节省空间。



名字也是常量，内容如果不一样就按常规方法存，但是名字和内容一样，其实常量池中已经有这个常量了，常量池中一般不重复，所以不用中转。

名字也作为一个值来储存，比如A = "abc" 什么以上 在一个地址 地址里面存了A 另外一个地址存"abc" 这需要2个地址 如果abc = "abc" 那么 abc 直接就存在那个地址里面

●字节码中的方法区 域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中。

我们打开字节码文件


注意 ： 对于iload_1这个 是把数值复制了一份 而不是删掉

java 复制代码 
public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        i =i++;
        System.out.println(i); //0
    }
}


答案是0，我通过分析字节码指令发现，i+ +先把0取出来放入临时的操作数栈中,接下来对i进行加1，i变成了1,最后再将之前保存的临时值0放入i,最后i就变成了0。

2.2.3. 玩转字节码常用工具

在IDEA安装插件！

build------recompile

必须选择自己的文件 且查看最新的要重新编译！

如果我们的程序已经在运行中，我们可不可以查看字节码文件

  • dump类的全限定名: dump已加载类的字节码文件到特定目录。
  • jad类的全限定名:反编译已加载类的源码。

2.3. 类的生命周期

类的生命周期描述了一个类加载、使用、卸载的整个过程

对于使用来说 我们最熟悉------new 或者反射等。

有的可能分的比较细，7个阶段，是因为把连接拆成了验证、准备、和解析。

加载阶段：

  1. 加载(Loading)阶段第一步是类加载器根据类的全限定名通过不同的渠道以二进制流的方式获取字节码信息。

不同渠道是什么？

  1. 类加载器在加载完类之后，Java虚拟机会将字节码中的信息保存到方法区中。

  2. 类加载器在加载完类之后, Java虚拟机会将字节码中的信息保存到内存的方法区中。

    生成一个InstanceKlass对象,保存类的所有信息，里边还包含实现特定功能比如多态的信息。

  1. 同时，Java虚拟机还会在堆中生成一份与方法区中数据类似的java.lang.Class对象。
    作用是在Java代码中去获取类的信息以及存储静态字段的数据(JDK8及之后)。

推荐使用JDK自带的hsdb工具查看Java虚拟机内存信息。工具位于JDK安装目录下lib文件夹中的sa-jdijar中。

java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

连接阶段：

连接阶段------验证

验证的主要目的是检测Java字节码文件是否遵守了《Java虚拟机规范》中的约束。这个阶段一般不需要程序员参与。





主版本号不能高于运行环境主版本号，如果主版本号相等，副版本号也不能超过。

连接阶段------准备阶段：

●准备阶段为静态变量(static) 分配内存并设置初始值。

●注意:本章涉及到的内存结构只讨论JDK8及之后的版本，8之前的版本后续章节详述。


为什么要默认值？

但是！final 修饰呢？又是另外一种情况！

这个例子就说明，他没有赋值初值为 0 的过程！


连接阶段------解析阶段：

●解析阶段主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用。

●符号引用就是在字节码文件中使用编号来访问常量池中的内容。

初始化阶段

●初始化阶段会执行静态代码块中的代码，并为静态变量赋值。

●初始化阶段会执行字节码文件中clinit部分的字节码指令。




以下几种方式会导致类的初始化：

  1. 访问一个类的静态变量或者静态方法，注意变量是final修饰的并且等号右边是常量不会触发初始化。
  2. 调用Class.forName(String className)。
  3. new一个该类的对象时。
  4. 执行Main方法的当前类。


第二个测试用例 ：

结果打印：初始化了...

第三个测试用例：

我们找到main所在的类：Demo5 初始化！ 然后用到了new Demo6 初始化6

好！我们现在看看这两道大题能不能轻松拿下！

java 复制代码 
public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("A");
        new Demo1();
        new Demo1();
    }
    public Demo1(){
        System.out.println("B");
    }
    {
        System.out.println("C");
    }
    static {
        System.out.println("D");
    }
}

DACBCB
因为实例代码块会在构造方法之前执行

类的生命周期初始化阶段

clinit指令 在特定情况下不会出现，比如：如下几种情况是不会进行初始化指令执行的。

1.无静态代码块且无静态变量赋值语句。

2.有静态变量的声明，但是没有赋值语句。

3.静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接进行初始化。




2.4. 类加载器

类加载器(ClassLoader)是Java虚拟机提供给应用程序去实现获取类和接口字节码数据的技术。


2.4.1. 类加载器的分类

类载器分为两类

  • Java代码中实现
  • Java虚拟机底层源码实现

类加载器的设计JDK8和8之后的版本差别较大，JDK8及之前的版本中默认的类加载器有如下几种:


类加载器的分类启动类加载器

●启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)是由Hotspot虚拟机提供的、使用C+ +编写的类加载器。

●默认加载Java安装目录/jre/lib下的类文件,比如rt.jar,tools.jar, resources.jar等。

通过启动类加载器去加载用户jar包:

  • 放入jre/lib下进行扩展
    • 不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容，会出现即时放进去由于文件名不匹配的问题也不会正常地被加载
  • 使用参数进行扩展
    • 推荐，使用-Xbootclasspath/a:jar包目录/jar包名进行扩展

类加载器的分类默认类加载器

●扩展类加载器和应用程序类加载器都是JDK中提供的、 使用Java编写的类加载器。

●它们的源码都位于sun.misc.Launcher中， 是一个静态内部类。继承自URLClassLoader。 具备通过目录或者指定jar包将字节码文件加载到内存中。

通过扩展类加载器去加载用户jar包：

  • 放入/jre/lib/ext下进行扩展
    • 不推荐，尽可能不要去更改JDK安装目录中的内容
  • 使用参数进行扩展
    • 推荐，使用-Djava.ext.dirs=jar包目录 进行扩展，这种方式会覆盖掉原始目录，可以用;(windows):(macos/linux)追加上原始目录

类加载器的分类应用程序类加载器

验证一下:

2.4.2. 双亲委派机制

双亲委派机制有什么用！

  1. 保证类加载的安全性
    • 通过双亲委派机制避免恶意代码替换JDK中的核心类库，比如java.lang.String，确保核心类库的完整性和安全性。
  2. 避免重复加载
    • 双亲委派机制可以避免同一个类被多次加载。

双亲委派机制指的是：当一个类加载器接收到加载类的任务时，会自底向上查找是否加载过，再由顶向下进行加载。


我们可以在代码中展示一下这个类：

首先，在Java中如何使用代码的方式去主动加载一个类呢?

  • 方式1:使用Class.forName方法，使用当前类的类加载器去加载指定的类。
  • 方式2:获取到类加载器，通过类加载器的loadClass方法指定某个类加载器加载。
    例如:
  • 应用程序类加载器的parent父类加载器是扩展类加载器，而扩展类加载器的parent是空,但是在代码逻辑上，扩展类加载器依然会把启动类加载器当成父类加载器处理。
  • 启动类加载器使用C++编写，没有父类加载器。


2.4.3. 打破双亲委派机制

虽然说，我们的双亲委派机制很牛！但是我们在一些情况下，我们需要打破这个机制才能实现我们想要的功能。

2.4.3.1. 自定义类加载器

  • 自定义类加载器并且重写loadClass方法，就可以将双亲委派机制的代码去除

  • Tomcat通过这种方式实现应用之间类隔离，《面试篇》 中分享它的做法

  • 一个Tomcat程序中是可以运行多个Web应用的，如果这两个应用中出现了相同限定名的类，比如Servlet类,Tomcat要保证这两个类都能加载并且它们应该是不同的类。

  • 如果不打破双亲委派机制，当应用类加载器加载Web应用1中的MyServlet之后，Web应用2中相同限定名的MyServlet类就无法被加载了。

  • 先来分析ClassLoader的原理 ，ClassLoader中包含 了4个核心方法。
  • 双亲委派机制的核心代码就位于loadClass方法中。
java 复制代码 
public Class<?> loadClass(String name)
protected Class<?> findClass(String name)
protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
protected final void resolveClass(Class<?> c)


2.4.3.2. 线程上下文类加载器
  • 利用上下文类加载器加载类，比如JDBC和JNDI等

spi全称为(Service Provider Interface),是JDK内置的一种服务提供发现机制。

spi的工作原理:

  1. 在ClassPath路径下的META-INF/services文件夹中，以接口的全限定名来命名文件名, 对应的文件里面写该接口的实现。
  2. 使用ServiceLoader加载实现类。
2.4.3.3. Osgi框架的类加载器（了解即可）
  • 历史上0sgi框架实现了一套新的类加载器机制，允许同级之间委托进行类的加载

2.4.4. jDK9之后的类加载器




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